DISEO Y CALCULO DE COMPRESORES

AUTOR

INGENIERO INDUSTRIAL

PEDRO A GOMEZ RIVAS

Compresor. Es una mquina que fundamentalmente se utiliza para elevar la presin de un gas pasando de presin baja a otra ms alta. Una variante de sta mquina sirve tambien para producir vaci; sin embargo, no estudiaremos esta variante porque la demanda para sta utilizacin es muy escasa. Grupo de compresor autnomo. Es un grupo completo montado en un patn y est formado por el accionamiento primario, compresor, aparatos necesarios para la refrigeracin, depuradores, colectores de humedad, mandos de seguridad y tuberas. O sea, un grupo completo para conectarlo con las tuberias de aspiracin o descarga. Usos de un compresor. Un compresor se utiliza en:

1. Transferencia de gas desde pozos productores de baja presin hasta las Plantas de Procesamiento.

2. Comprimir gas para devolverlo a la formacin petrolfera

con el objetivo de mantener presin o aumentar la presin del yacimiento.

3. Devolver el gas a la formacin cuando el propietario

desea reducir la proporcin gas-petroleo. Algunos estados limitan la cantidad de gas que se puede producir o vender por barril de petroleo producido. Por lo tanto, el propietario de los pozos que producen demasiado gas por barril de petrleo tiene que devolver parte del gas al yacimiento para obtener ms petrleo.

4. Transferir gas para llevarlo al punto de consumo.

5. Aumentar presin en tubera de almacenamiento.

6. Comprimir aire para distintos usos en todas las

industrias.

Compresor reciprocante Compresor reciprocante es una mquina que comprime el gas mediante el desplazamiento de un piston dentro de un cilindro. A continuacin describiremos el ciclo ideal y el real en un compresor reciprocante.

n el ciclo ideal de la compresin, la descarga del gas

esarrollada por el motor del

PRESION

VOLUMEN

C I C L O I D E A L

A B

CD

P1

P2

V1V2

Ecomprimido es 100%. El vector A-B representa el movimiento del stroke o carrera de succin en el cual el gas empieza a ingresar al cilindro a travez de la vlvula de succin hasta el volumen V1 que es el volumen total del cilindro de compresin, durante ste movimiento la presin P1 permanece constante y es igual a la presin en la succin o tubera de carga al compresor. En el punto B, la fuerza dcompresor actua positivamente y comprime el gas hasta el punto C en el cual se alcanza la presin deseada de descarga P2 y es ste el momento en el cual la vlvula de salida se abre permitiendo la transferencia total del gas del cilindro de compresinal sistema en el punto D. Como asumimos que estamos operando un compresor ideal o perfecto que nos permite hacer una compresin ideal, el punto D corresponder a un volumen de cero cuando se cierran las vlvulas de salida. Aqu empieza el retorno del pistn, pasando del punto D al punto A y de la presin P2 a la presin P1 idealmente, ya que al llegar al punto D, como el volumen es cero, no habr molculas remanentes de gas y la presin, en ste instante, no tendr ningn valor,

luego tan pronto se abran las vlvulas de entrada de gas en el punto A la presin ser la de carga o succin al compresor, P1, inicindose nuevamente el ciclo de compresin. En la realidad los equipos de compresin no son perfectos, ni

se puede pensar en una compresin ideal, por lo que es mejor analizar el ciclo real que sucede en un compresor reciprocante, modelo ms conocido en el campo petrolero.

PRESION

VOLUMEN

C I C L O R E A L

0

4

3

1

26

5

CLEARANCE

Posicin 1INICIO DEL STROKE O CARRERA DE COMPRESINVLVULAS DE SUCCIN Y DESCARGA CERRADAS

Posicin 2

APERTURA DE VLVULA DE DESCARGA

Posicin 3INSTANTE FINAL DEL STROKE O CARRERA DE COMPRESINE INICIO DEL STROKE O CARRERA DE DE SUCCIN.VALVULAS DE SUCCIN O CARGA Y DESCARGA CERRADAS.

Posicin 4

VLVULAS DE SUCCIN O CARGA ABIERTAS

C I C L O R E A L D E C O M P R E S I O N

En las figuras de los ciclos ideal y real se puede observar claramente las diferencias en diagramas. Complementamos la explicacin con el grfico de posicin del pistn en cada uno de los puntos del ciclo real de compresin que podemos observar en cualquier comprsor reciprocante. Posicin 1 Este es el inicio del stroke o carrera de compresin. El cilindro est lleno de gas a la presin de succin. El pistn empieza a desplazarse para llegar a la posicin 2, el gas es comprimido por ste desplazamiento del pistn y est representado por el tramo curvo 1-2.

Posicin 2 En ste punto la presin del cilindro supera en un diferencial a la presin existente en la tubera de descarga. Este diferencial origina la apertura de la vlvula de la descarga. La descarga o transferencia de gas contina hacia la tubera . Esta accin est representada por el tramo 2-3 en el diagrama y por el cambio de posicin del pistn desde la posicin 2 a la posicin 3. Posicin 3 En sta posicin, el pistn complet toda la descarga o transferencia del gas desde el cilindro de compresin hasta la tubera linea de descarga. En ste instante termina el stroke o carrera de descarga. Es obvio que el diseo de un compresor no pueda lograr un acoplamiento perfecto de las superficie circular del pistn y el extremo del cilindro, ste es el origen del volumen remanente de gas, el cual recibe el nombre de CLEARANCE VOLUMEN 0 VOLUMEN MUERTO. Al empezar el retorno del pistn, la presin dentro del cilindro ser mayor que la presin de succin, porque el volumen muerto o volumen clearance est a la presin de descarga, y se ir expandiendo (Ley de Boyle) con la consecuente disminucin de presin a lo largo de la curva 3-4, hasta llegar a la presin de succin en el punto 4. Posicin 4 En ste punto, al estar la presin del cilindro igualizada con la presin de succin o de carga al compresor, y empezar el stroke o carrera de succin, se produce la apertura de la vlvula de succin permitiendo el ingreso del gas al cilindro. Esta accin est representada por el tramo 4-1. La compresin del gas natural origina tambien incremento de temperatura, ste incremento de temperatura hace necesario enfriar el gas para que pase a la siguiente etapa de compresin a la temperatura adecuada.

Despues de la exposicin de los ciclos ideal y real de compresin pasamos a conocer otros conceptos necesarios para poder calcular un compresor de gas. Desplazamiento del pistn: PD Es el volumen de gas natural desplazado por el pistn en su desplazamiento desde la Posicion 1 (botton dead center) hasta la posicin 3 (top dead center). El PD se expresa normarmente en pies cubico por minuto, PCM. En el caso de los cilindros de doble accin se incluye el barrido de la otra superficie del cilindro descontando el volumen del eje (Piston Rod Displaces). Su ecuacin es: AHE x S x RPM PD = --------------------- 1728 donde: AHE = Area HE del pistn S = Stroke, inches RPM = Revoluciones x minuto PD = PCM, pies cubicos por minuto Para un cilindro de Doble Accin, el PDDA es: AHE x S x RPM ACE x S x RPM PDDA = --------------------- + --------------------- 1728 1728 Esta ecuacin podemos reducirla: S x RPM x 2 AR PDDA = ------------------- x [ AHE - ----- ] 1728 2 donde AR = Area Rod HE = Head End CE = Crank End

Los valores PD vienen tabulados en funcin de los otros parmetros, S, RPM, Areas.

P I S T O N D E D O B L E A C C I O N

HEAD END CRANK END

COMPRIME ALA IDA

COMPRIME ALA VUELTA

Relacin de compresin. Llamada tambien THE COMPRESSION RATIO, (R) se define como la relacin de la presin absoluta de descarga entre la presin absoluta de la succin o carga de un cilindro compresor. En el grfico del ciclo real de compresin, el trazo 2-3 representa la presin de descarga y el trazo 4-1 representa la presin de succin o carga al cilindro compresor. Espacio muerto Llamado tambien CLEARANCE VOLUMEN, (CL) es el volumen remanente en el cilindro compresor al final del stroke o carrera de descarga. En el grfico del ciclo real el punto 3 el volumen del espacio muerto. Este incluye el espacio entre el final del pistn y el cabezo del cilindro, el espacio libre en las vlvulas de succin y descarga, entre estas y sus respectivos asientos. Porcentaje de espacio muerto Llamado tambien PERCENT CLEARANCE, (% CL) es el volumen de espacio muerto, pero expresado como porcentaje del desplazamiento del pistn. Por sta razn el trmino por ciento del espacio muerto est representado as:

Vc (Espacio muerto en inch3)

CL ( % Espacio muerto) = ----------------------------------------- h3)

ara cada lado de la accin del pistn es diferente y el

pendiente utilizaremos:

% CLHE (ida) = ------- x 100

VcCE % CLCE (vuelta) = ------- x 100

estn en pulgadas cbicas pies cbicos por minuto.

s un valor adimensional que se obtiene de la relacin entre

K = ----------

fico a presin constante lor especfico a volumen constante

ante

% PD (Despzmto del pistn en inc

En los cilindros de Doble Accin el porcentaje de Clearance pporcentaje final ser igual a la suma de los espacios muertos, entre la suma de los PD ( descontando el volumen del ROD o barra del pistn. Para el clculo ind VcHE PDHE PDCE Las unidades en estas ecuaciones y Constante K de los gases. Ecalores especficos: Cp Cv Donde Cp = Calor especCv = Ca Esta ecuacin permite la igualdad PVK = Const

Eficiencia volumtrica

e representa por Ev y como su nombre lo indica sirve para trica de un cilindro compresor.

rctersticas del gas que dependen de la conastante K

- %CL ( (----)1/K - 1)

del diagrama PV

Smedir la eficiencia volumLa Eficiencia Volumtrica es afectada por el Espacio Muerto (CL). El efecto est en funcin de la Razn de Compresin (R) y de las caLa formula para encontrar el porcentaje de la Eficiencia Volumtrica es: P2 % Ev = 100 R P1 esta ecuacin puede ser derivada

PRESION

VOLUMEN

D I A G R A M A P V

V3

4

3

1

2P2 , P3

P1 , P4

V4 V2 V1

Volumen Desplazado VD = V1 V3 Volumen inducido dentro del cilindro = V1 V4

V1 V4

ntonces: Ev = ---------

i => CL = ---- (expresado como fraccin)

spejamos V1 = VD + V3

VD

---- = -----

cin a 1/k

---- = ( ----- )1/K P4

er lo siguiente

nces

V4 = V3 ( ----- )1/K

P2 V4 = CL x VD ( ----- )1/K

E VD V3 S VD Entonces -----> V3 = CL x VD De la ecuacin VD = V1 V3, de Y en sta ecuacion reemplazamos V3. V1 = VD + CL x P3 x V3k = P4 x V4K V4k P3 V3K P4 Elevamos los dos trminos de la ecua V4 P3 V3 Pero , en el diagrama PV podemos v P2 = P3 y P1 = P4, ento P2 P1 Reemplazamos el valor de V3 P1

La Eficiencia Volumtrica es : V1 - V4 Ev = -----------

or de V1 y V4 y nemos:

+ (CL x VD)) - (CL x VD x (P2/P1)1/K ) v = --------------------------------------------------------

(CL x (P2/P1)1/K )

mtrica es:

o toma encuenta los ctores que afectan la Eficiencia Volumtrica del cilindro

de compresin y el calor residual dentro del

n la finalidad

VD En sta ecuacin reemplazamos el valte (VD E VD Eliminando VD, nos queda:

Ev = 1 + CL - Ordenamos para sacar el factor CL y tenemos Ev = 1 - (CL x (P2/P1)1/K ) + CL Sacamos el factor comn CL y la Eficiencia Volu Ev = 1- CL ( (P2/P1)1/K - 1 ) Ecuacin basada en el diagrama PV nfacompresor, por debajo de las reales condiciones de operacin. No debemos olvidar que en la prctica, las presiones dentro del cilindro son ligeramente mayores que las presiones de succin y descarga en las bridas por efectos de Ps (caida de presin). La linea de reexpansin real, tiene un poco ms de pendiente que la lineacilindro tiende a transferirse al gas de succin. Por sta razn se adiciona el factor RC (razn de compresin a la ecuacin ideal, calculada anteriormente, code compensar los efectos de los factores de variacin mencionados antes.

En consecuencia, la ecuacin final de porcentaje de eficiencia volumtrica se convierte en:

- %CL ( R1/k - 1 )

a potencia requerida para un cilindro compresor depende de ajo que se necesita durante un ciclo

potencia por unidad de

as leyes de los gases ideales nos permiten analizar el Ideales.

a Presin Absoluta es igual a la suma de la Presin sfrica tomada a nivel del

ABS = Pman + 14.73

a temperatura absoluta se expresa en grados Rankine y se atura real medida en

ahrenheit + 460

temperatura constante ( en termodinmica se conoce como ico) el volumen de un gas es inversamente

% EV = 100 R Potencia (Horsepower) Lla cantidad neta de trabcompleto de compresin. Las pruebas reales efectuadas en talleres y laboratorio, permiten preparar, curvas devolumen. Estas curvas tienen como entradas la Relacin de compresin RC y el valor K del gas natural comprimido. Leyes de los Gases Ideales Lcomportamiento de los Gases Concepto de Presin Absoluta LManmtrica ms la Presin Atmomar, es decir 14.73 P Concepto de Temperatura Absoluta Lcalcula sumando 460 a la tempergrados Fahrenheit. TABS RANKINE = Treal en F Ley de Boyle Aproceso isotrmporporcional a la presin absoluta.

V1 P2 ey de Boyle --- = -----

Ley de Charles presin constante ( en termodinmica se conoce como

co) el volumen de un gas es directamente

ey de Charles --- = ---

s de Boyle y Charles

------- = --------

ca e un s perfecto sta ecuacin es necesaria para las conversiones entre pesos

WRT onde:

en PSIA V = Volumen en Pies cbicos

45

gas

l valor K de un gas est en funcin de la relacin de los sin constante y a volumen

LV2 P1

Aproceso adiabtiproporcional a la temperatura absoluta:

V1 T1 L

V2 T2 Ley combinada de de las Leye P1 V1 P2 V2 T1 T2 Ecuacin Caractersti d gaEy volmenes de los gases. PV = D

P = Presin Absoluta

W = Libras T = Temperatura Absoluta R 15R = ---------------------------

Peso molecular del

Calculo de la constante K Ecalores especficos a preconstante. K = CP / CV

D e c anterior teneme la cua in os: K = MCP / MCV

carburos aseosos tenemos:

cuacin de K y nemos:

K = ------------------

ond :

CP = Capacidad Molar calrica a presin constante r calorica a volumen constante

on ndo lo la Capacidad Calrica a presin constante, (MCP).

ante la

Nombre Formula MCP a 150 F

Por otro lado recordamos que para todos los hidrog MCV = MCP - 1.986 Este valor de MCV lo reemplazamos en la ete MCP MCP - 1.986D e

M = Peso Molecular M MCV = Capacidad Mola 1.986= Constante para todos los hidrocarburos gaseosos

C sta ecuacin es posible calcular el valor K conociesExisten tablas, como la siguiente, donde figuran los valores de MCP correspondiente a la temperatura asumida durcompresin de 150 F.

Metano CH4 8.97 Etano C H2 6 13.78 Propano 1C3H8 9.58 I Butano C4H 01 25.82 N Butano C4H10 26.16 I Pentano C5H12 32.20 N Pentano C5H12 32.39 Hexano C6H14 38.70 Heptano C7H16 45.00

Ejemplo del valor K par una mezcla gaseosa

iente mezcla Encontrar el valor de la constante K para la sigu

Nombre Smbolo % Metano C 92.16 1Etano C2 4.88 Propano C3 1.85 I Butano i - C4 0.39 N Butano n -C4 0.55 I Pentano I - C5 0.17 T O T A L 100.00

Solucin:

A B C DB=A/100 D = B x C

Nombre % Fraccin molar MCp a 150 FMetano 92.16 0.9216 8.97 8.267Etano 4.88 0.0488 13.78 0.672Propano 1.85 0.0185 19.58 0.362I Butano 0.39 0.0039 25.82 0.101N Butano 0.55 0.0055 26.16 0.144I Pentano 0.17 0.0017 32.2 0.055N Pentano 0.00 0.0000 32.39 0.000Hexano 0.00 0.0000 38.7 0.000Heptano 0.00 0.0000 45 0.000Total 100.00 1.0000 9.6008

valor K = MCp/ (MCp - 1.986) = 1.2608091331.26

Tabla para clculo de constante K

Tipos de Compresores

xisten cuatro tipos de compresores conocidos.

- Rotativos gos

tes Compresores Axiales

stan compuestos por dos grupos de hojas axiales, un grupo otro permanece estacionario. El gas

rir

xisten dos tipos de compresores rotativos: de alta presin.

as de 125 psig) stn conformados por dos hlices rotativas que giran dentro

n

hacen al funcionar.

E

- Axiales

- Centrfu- Reciprocan

Eaxial rota mientras elcircula en forma paralela al eje de rotacin del compresor. En precio, estos equipos son mas econmicos que los centrfugos cuando su aplicacin se hace para transfecaudales mayores a 70 MPC (mil pies cbicos por minuto). Son compresores de tamao pequeo pero su eficiencia es ligeramente mayor que las centrfugas. Eficiencia de compresin: Entre 75 y 82 % . Compresores rotativos E1.- Compresores rotativos2.- Compresores rotativos de baja presin. Compresores rotativos de alta presin (mEde un ambiente cerrado sin entrar en contacto. Socompresores de bajo costo y tiene una eficiencia mayor que los compresores centrifugos equivalentes tipo centrfugos. No son muy sensitivas a las propiedades del gas, pueden comprimir gas ligeramente sucio. La desventaja ms notoria pero que la tecnologa est logrando controlar es el ruido que Eficiencia de compresin: Entre 75 y 80 %.

Compresores rotativos de baja presin (hasta 125 psig) ifieren de los anteriores en el diseo mecanico de las hlices

la

gos stn compuestos por uno o varios impulsores que giran a

il RPM) dentro de la caja de

ral superiores a los 100

n (+ de 18000 horas de trabajo) sin requerir

y a la constante politrpica del gas.

n la

os compresores reciprocantes tienen ventajas operativas que s conocidos en el campo de la

descarga y de succin

las operaciones de campo.

Drotativas. El costo es menor que los de alta presin por metalurgia de los materiales. La eficiencia de compresin vara entre 75 y 80 %. Compresores centrfuEaltas revoluciones (+ de mimpulsores (casing). El caudal que circula dentro de la caja de impulsores es de tipo continuo. La alta velocidad, tpica en stos compresores, hace posible comprimir volmenes de gas natumpcd y el tamao del equipo no requiere gran espacio en planta. Se caracterizan por operar durante periodos largos de operaciReparacin Mayor. La alta velocidad de trabajo hace sensible a la densidad del gas, peso molecularEl efecto ms significativo es el incremento de la constante politrpica del gas originado por la disminucin edensidad o disminucin en el peso molecular. La consecuencia inmediata es la variacin de la Relacin de compresin (R). La Eficiencia de compresin vara entre 70 y 78 %. Compresores reciprocantes. Llos han ubicado como los mIndustria del crudo y del gas natural. Estn compuestos por pistones que se desplazan dentro de los cilindros hasta que las vlvulas deacten de acuerdo con el diseo. Este tipo de compresor es de menor precio y de mayor eficiencia que los otros modelos enEn el campo de Talara y Selva del Per se utilizan desde 1960 los compresores reciprocantes.

Ventajas de un compresor reciprocante Las ventajas de un compresor reciprocante son las iguientes:

uy sensibles a las cambios de las caractersticas el gas.

e adaptan facilmente a los requerimientos de Refinerias, antas de proceso de gas natural y sistemas de recoleccin

volmenes de gas

l compresor reciprocante es de desplazamiento con simple o

nstante pero no continuo como los centrfugos.

l en

s - Capacidad adaptable en la industria petrolera - No son md- Permite controlar cargas intermitentes. - Son econmicos para operaciones de alta presin. Capacidad adaptable a requerimientos. SPlde gas en campo, en funcin de los disponibles pueden disearse con cilindros de diferente tamao y de 1,2 3 etapas. Son accionados por motor a gas o motor elctrico acoplados directamente. Tambien hay modelos integrales (un slo cigueal mueve a motor y compresor. El diseo de cada etapa permite intercalar enfriadores y separadores de condensado cuyo valor es significativo. No son muy sensibles a las cambios de las caractersticas del gas. Edoble accin, este desplazamiento de ir y venir origina un caudal coComprimen el mismo volumen de gas a los mismos niveles de presin independiente si lo que comprimen es hidrgeno o butano. Esta caracterstica es de importancia fundamentalos campos de petrleo porque permite comprimir gas aunque la composicin del gas sufra alguna variacin en su composicin y porque permite reubicar fsicamente el equipo de un lugar a otro segn la produccin de gas natural. Si comparamos con un centrifugo, el diseo y tamano del centrifugo requera mayor nmero de impulsores para llegar a igual descarga que un reciprocante.

Pero tambien debemos sealar que la tecnologa contina con los avances y est logrando acortar las diferencias entre uno y otro modelo. Permite controlar cargas intermitentes. El diseo de cada etapa permite manejar manual y ficientemente las cargas intermitentes. Esta ventaja es

in de gas en los

istemas de lta presin porque los caudales en alta presin son bajos y

altos.

ntajas de los compresores reciprocantes

Periodos cortos de operacin continua.

Factor de servicio menor al 100 %.

ua. n vlvulas de metalurgia

ntigua, los mantenimientos de operacin se incrementan.

esignificativa considerando que la produccreservorios es constante pero el caudal no es continuo. Se usan Bolsillos ( Clearance pockets o vlvulas aliviadoras de succin), que minimizan las prdidas de potencia. Son econmicos para operaciones de alta presin. Existe la tendencia a no usar los centrfugos en salos centrfugos tiene impulsores que mueven caudales La aplicacin de los reciprocantes en los sistemas de alta presin es muy apropiada en rangos de 2500 hasta 50000 psig. Desve - - Problemas de pulsacin y vibracin. - Periodos cortos de operacin continSi los compresores reciprocantes usaa

SERVICIO MESES ENTRE PARADAS Gas sucio 2 a 3 Gas limpio 4 a 6 Aire 6 a 10 Estos periodos se acortan si el motor es de combustin

a y no se hace mantenimiento predictintern ivo.

En algunas empresas para superar este cuadro, se opta por compresores SPARE ( de repuesto o de reemplazo ).

ctualmente los grandes avances en investigaciones de

o lado el

mientos de los pistones en los cilindros originan audales constantes pero no continuos, adems los caudales

n continuos originan

or al 100 % se origina por s tiempos de parada para mantenimiento, teniendo en

ace en un periodo de 5

Ametalurgia y en modelos de vlvulas, hacen posible la fabricacin de vlvulas termoplasticas y por otranalisis predictivo aplicado en los motores de combustin interna han revolucionado los tiempos de parada de los equipos. Problemas de pulsacin y vibracin. Los movicde succin en algunos casos no sovibraciones que incrementan el desgaste de las piezas. Los avances en anlisis de esfuerzos y vibraciones permiten disear bases con perfiles de acero rellenados parcialmente con concreto armado principalmente debajo del motor y compresor. Estos equipos ya no necesitan construir bases profundas y costosas. Se puede completar, si el caso lo requiere, con instalacin de botellas de pulsacin (DAMPERS). Factor de servicio menor al 100 %. El origen del factor de servicio menlocuenta que una reparacin mayor se ha 14 das en funcin de la potencia del equipo. Los porcentajes del factor de servicio varan de 93 % en equipos que comprimen gas sucio hasta 98 % en equipos que comprimen gas limpio. El uso de gas combustible que viene directamente de los separadores de las bateras de produccin origina carbonizacin rpida en las vlvulas de los motores de combustin interna. El uso de este gas representa un ahorro para el rea operativa pero incrementa los costos de mantenimiento. Costos que afectan la rentabilidad de las compaas dedicadas al mantenimiento de los equipos. Por sta razn es recomendable utilizar gas comprimido, filtrado y enfriado, para que la combustin sea lo ms limpia posible.

Diseo de compresores Para disear un compresor un comprsor se requiere bsicamente conocer la composicin, volumen, temperaturas

succin y descarga, y altura sobre

son las consideraciones bsicas:

Motores gas

mpresin nto interetapas (intercooler)

que Presin

n la tabla siguiente podemos observar la presin de trabajo el tipo de material para gas no corrosivo.

de entrada, presiones de nivel del mar. Consideraciones Generales Las siguientes

Presion Temperatura

SobrecarRelacin de coEnfriamieAire de arran

Ey Tipo de cilindro Presin de trabajo (Psig) Cast iron (hierro colado o Hasta 1000fundido)

Cast iron nodular Hasta 1500 Cast Steel (acero fundido) HastA 2500 Refined Steel (acero refinado)

es. Encima de 2500

Se aplican aleacion Para seleccionar el tipo de ma amos en la

sivo, se hace tratamiento qumico del as o se slecciona material de acuerdo con las normas de

. El diseo de cada vlvula implicar calibracin con un valor de asentamiento de 10 % como mnimo. Por

terial cuando estpresencia de gas corrogAGA y API. Es indispensable instalar una vlvula de seguridad en cada etapa, previendo la generacin de altas presiones no controlables

ejemplo, si un etapa est descargando a 300 psig, la vlvula de seguridad debe actuar a 330 psig, caso contario se pone en peligro inicialmente el motor porque generar mayor potencia si es que su caballaje lo permite o puede fallar quebrando brazos de biela. Por ejemplo si tenemos un compresor de 6 etapas diseado con 15 psig de succin y 5000 de descarga, pero lo hacemos trabajar con 20 psig de succin, estaremos sobrecargando el motor en un 25 % , lo que significa riesgo alto para el motor. La posible rotura pone en peligro no slo el motor sino las instalaciones cercanas. Si se trata del cilindro de primera etapa debemos cuidar que la presin no supere la calidad del material, es posible que se originen recalentamientos que posteriormente produzcan fallas por fatiga de material. La vlvula de seguridad en el cilindro de descarga debe estar calibrada con 25 psig encima de la presin de descarga. En algunos casos por necesidades de operacin se asienta a mayor presin, lo cual origina riesgos que no deberan

requerida supera los 100 HP , no debe superar s 350 F porque encima de sta tempertura se alteran las ropiedades de los lubricantes y es temperatura crtica para

hierro fundido.

rga de cada etapa debe

los ompresores a motores de combustin interna o a motores

con reductor de velocidad. Las turbinas no son recomendables por la alta velocidad que desarrollan.

presentarse. Temperatura Si la potencialoplos cilindros deLa temperatura mnima para los lubricantes es 40 F, porque si se trabaja con temperaturas ms frias se requiere compresores sin lubricacin. Las temperaturas de descaespecificarse en funcin de las condiciones de operacin, sta especificacin influye en el diseo del enfriador del gas. Motores Los compresores reciprocantes operan entre 350 y 950 rpm, velocidad que hace posible acoplar directamentecelctricos

BHPs mnimos requeridos por un motor (BHP Normal del compresor) (Factor de carga) BHP (mn requeridos) = ----------------------------------------------------------- Eficiencia mecnica de la transmisin obrecargas S

Cualquier incremento en la presin de succin o de carga al

uy buen estado y con filtro (gorro de bruja) instalado en la

de carga.

nen materiales y diseos patentados ue les permite aplicarlas. Se llega algunas veces a encontrar

de hasta 7.8 en compresores de

ando la

presor no podr abajar por los peligros que representa en el material del

estructura de los

l compresor o por motores

compresor resulta en sobrecarga al motor. Por sta razn debe operarse el compresor con un regulador de presin enmtubera o lnea Relacin de compresin En general la relacin de compresin recomendada es de 5.0. sin embargo algunos fabricantes aplican mayores relaciones de compresin porque tieqRelaciones de Compresinaire que cargan con cero psig y descargan 100 psig. La Relacin de compresin va ligada directamente al diseo de resistencia de la barra del piston (ROD) Enfriamiento interetapas ( intercooler ) El enfriamiento es necesario siempre y cutemperatura no exceda los 350 F porque si es mayor definitivamente el conjunto motor comtrcilindro de la primera etapa y en la componentes de los lubricantes. El diseo de los enfriadores implica un sistema cerrado con agua tratada qumicamente y de radiadores con tubos por donde circulan gas calente y tubos por donde circula agua caliente que se enfriarn por la accin de los ventiladores movidos por el mismo motor deauxiliares. Es importante la direccin del viento para que los ventiladores trabajen adecuadamente en campo. El enfriamiento interetapas origina condensacin de hidrocarburos como propano, butano, pentano, hexano y

gasolina liviana y agua cuyo valor por barril supera los 10 dlares. El tratamiento del agua de enfriamiento es muy importante

teados.

s avances tecnolgicos en el

para arranque de los motores de ombustin interna baje de 250 psig hace unos 15 aos

o gas utilizados no tengan

eterminar la temperatura del gas en la descarga.

2 = T1 x Rc( -------)

ida Ranquine 1 = Temperatura de entrada Ranquine = Relacin de compresin (sin unidad)

K = Constante del gas ( sin unidad )

porque incide directamente en el tiempo de vida util de los tubos del enfriador. El costo de un panel radiadores supera los mil dlares. Algunos equipos necesitan varios paneles de tubos aleSi se enfra correctamente el gas se puede ahorrar entre 3 y 5 % de los BHPs requeridos. Requerimientos para el arranque de un compresor Las investigaciones cientficas y lodiseo de los arrancadores han hecho posible que las presiones de gas o de aire chasta 150 psig actualmente. Algunas empresas utilizan gas comprimido, pero la tendencia es a eliminarlo por los riesgos que respresenta. Es obvio que el adecuarse a las normas actuales implica inversiones adicionales que cada empresa debe evaluar debidamente. Es importante que el airepresencia de lquidos. En otros casos se utilizan un conjunto de bateras para arranque de los motores de combustin interna Frmulas auxiliares DSe utiliza la siguiente frmula: K-1 T K Donde: T2 = Temperatura de sal T Rc

Determinar el nmero de etapas de un compresor. Para determinar el nmero de las etapas de un compresor

Donde: Re = Relaci n = Nme Pn = Presin Po

ple de etapa simple

(medidos a 14.7 psig 60 F

Presin de descarga = 40 Psig a de Succin = 90 F

cin: 3000 pies de altura sobre el nivel del mar.

alcular: resores requeridos

cilindros de compresin para

I.- Capacidad controlada.

co y encontramos que a 3000 pies de altura , .1 psig, entonces:

P1 = 5 + 13.1 = 18.1 psig P2 = 40 + 13.1 = 53.1 psig

multicilindrico se utiliza la siguiente ecuacin:

n Pn

Po

n de compresin ro aproximado de etapas

final de descarga = Presin inicial de succin

Clculo de un compresor de etapa sim Informacin: 1.- Capacidad requerida: 10,500 MSCFD y2.- Condiciones de presin: Presin de succin = 5 Psig 3.- Temperatur4.- Constante del gas K = 1.25 5.- Loca CI .- Tipo, caballaje, y nmero de compII.- Tamao, clase y nmero de cada mquina. II Solucin Necesitamos la presin atmosfrica a 3000 pies de altura. Revisamos grfila presin atmosfrica es 13

La relacin de de compresin ser: 53.1/18.1 = 2.93 y con el dato de inal aplicando

programa y tenemos

Revisamos la curva respectiva y encontramos que para Rc igual a 2.93 y Constante del gas K = 1.25 se necesitan 64.9 BHP por cada MMCFD. Debemos encontrar el volumen a 4.4 psig (presin en curva revisada) y a la temperatura de

Rc, calculamos la temperatura fla ecuacin: K-1 T2 = T1 x Rc( -------) K Aplicamos el

BHP requeridos por Milln de pies cbicos

1succin. Aplicamos el programa

Temperatura de succin 90 F = 460 = 550 Rankine= 2.9337

Constante del gas = 1.25Constante menos uno = 0.25(K menos 1) / k = 0.200Rc elevado a { (k - 1)/K } = 1.24018T2 = T1 por Rc elevado a {(k-1)/k} = Grados RankineT final = 222 Grados F

lculo de temperatura de descargaC

Relacin de compresin

682

Volumen a las condiciones de medicin = 10500000 PCDTemperatura de medicion del gas. F

Clculo del volumen a la temperatura de succin

60 = 520 RankineTemperatura de succin del gas F 90 = 550 RankinePresin atmosfrica de medicin del gas, psig = 14.7 psigPresin atmosfrica (curva BHP) = 14.4 psigVolumen a 14.4 psig y temperatura de succin = 11337139 PCD a

14.4 psig.y tempert 90 F

Segn el manual que dispongamos, es posible a ar la cifra de la potencia requerida.

n la marca Cooper bessemer el equipo que ms se acerca a 36 HP es el de 800 hps y considerando que el equipo abajar en una locacin ubicada a 3000 pies sobre el nivel

del mar, para esa altura Coper Bessemer recomienda ajusta

xcede las 10 psig. Se aplica la

PD x EV = 2.- Igualm a presin e 10 psig, la eficiencia volumtrica se determina con los rficos EV y adems se usa la ecuacin:

BHP requeridos = (BHP/MMPCD) * (Capacidad/1000000)BHP / MMPCD = 64.9BHP requeridos = 736 BHP

Clculo de la potencia requerida

just

E7tr

la potencia con el factor 0.934. Aplicamos el programa y tenemos:

HPS equipo mas cercano 800000 pies 0.93

BHP disponibles 747

Clculo de la potencia requerida

factor a los 3

Seleccin de los cilindros compresores En la seleccin de los cilindros compresores debemos tener en cuenta lo siguiente: 1.- Si la presin de succin no eecuacin:

BHP x 104 -------------------------------

( BHP/MMPCD ) * (P1 0.5)

ente, si la presin de succin no excede ldg

P2

a seleccin de cilindros debe cumplir los siguientes

- La presin de trabajo permisible para cualquier cilindro seleccionado no

en exceso. los cilindros de

perar dentro de todos los parmetros.

el fabricante. arga efectiva nunca debe exceder

iba del 3% de los BHPs les en el motor.

lumtrica)

PD x EV = ------- ( BH / Aplicamos el programa

BHP X 10000P1 - 0.5BHP / MMPCD 64.9

TERIOR 6542

Clculo

Rc2 = ------------ P1 - 0.5 Lrequerimientos:

debe estar - Verificar que

compresin puedan o

- Las cargas sobre las barras del pistn no deben exceder las recomendaciones d

- La cms arrdisponib

Calculo del PD x EV requerido (Desplazamiento del pistn por Eficiencia Vo

BHP x 104 ------------------------

P MMPCD ) * (P1 0.5)

PD x Ev = 6542 CFM

747200017.6

(BHP/MMPCD)*(P1 - 0.5) 1142.24BPHx10000) / PRODUCTO AN

del producto PD x Ev

Si deseamos trabajar con un slo cilindro, el PD x Ev de 6542 s alto razn por la cual es mejor utilizar dos cilindros.

/2 = 3271 volumen con el que se va al manual de la marca y si se trata de un compresor Cooper

frmula:

Apli

c = 3.02 1.25

el manual de la marca y

Ev

eEntonces tenemos 6542

Bessemer GMVA de 300 rpm, evaluamos la Rc con la

P2 Rc2 = ------------

P1 - 0.5

camos el program y tenemos

De donde Rc = 3.02 Entonces ya tenemos PD x Ev = 3271 R K =

on estos datos revisamos Cencontramos:

Dimetro Clase % Clearance PD EV PD x 32 CF5 - 14 8.4 3980 0.846 = 3365

requeriSi no dis te

na lista de los cilindros que fabrica y en base a nuestros el apropiado. No debemos olvidar que

etalurgia que utiliza en

Clculo de la Rc

P2 53.1P1 - 0.5 = 17.6Rc = P2 / (P1-0.5) = 3.02

=

Podemos concluir que es el cilindro apropiado para nuestro miento.

ponemos del manual es posible solicitar al fabricanuclculos seleccionar cada fabricante tiene patentes de la mus c indr s. s il o

Evaluacin de los cilindros seleccionados Primero, debemos evaluar la mxima presin permisible. La p d scarg 40 psig y generalmente la

etalu de ndro e pri op hasta

ercero, verificar si la tensin de la barra, est dentro de los

que la mxima

area x P1)

programa para calcular la tensin:

40

ndro) 804rra 3" ) 7.07

Area rod * P2 283Te 7

==

=

=

resin e de a es de m rgia los cili s d mera etapa s orta 150 psig. Podemos afirmar que no tendremos dificultades para trabajar con el primer cilindro. Segundo, verificar si los cilindros son afines. Cada fabricante tiene carctersticas singulares para sus cilindros, en ste caso son cilindros iguales para la primera etapa y pueden trabajar en paralelo sin ningn problema por er iguales. s

Tlmites permisibles. or ejemplo, si el fabricante nos informa P

tensin que soporta su material de barra (Rod) es: Tensin = 52500 libras Compresin = 76000 libras Entonces para la carga de tensin aplicamos:

T.L. = (CE * Area P2) - (HE la siguiente frmula

T.L. = (P2 - P1) AHE - AR x R Para la carga de compresin, utilizamos

C.L. = (P2 P1) AHE + AR x P1 Las unidades son PSIG

plicamos elA

P2 (psig)Clculo de las cargas a la barra (rod)

P1 (psig) 5P2 -P1 (psig) 35

==

Area HE ( rea HE del ciliArea rod (rea seccin ba(P2-P1) * Area HE 28140=

nsin en la barra (libras) 2785=

Ahora aplicamos el programa para calcular la carga de compresi

Ahor P. Se usa la siguiente frmula:

BHP = PD x Ev x P1 x BHP/MMPCD xAplicamos el programa y tenemos:

La

405

P2 -P1 (psig) 35Area HE ( rea HE del cilindro) 04Area rod (rea seccin barra 3" ) .07(P2-P1) * Area HE 0Area rod * P1 3Carga compresin en barra (libras) 28 5

==

====

sin=

n:

P2 (psig)Clculo de las cargas compre

P1 (psig) =

87

28145

17

a procedemos a calcular la carga real en BH

10-4

Nmero dClculo de las carga real en BHPe cilindros 2

PD ( manual del fabricante) 398060

6

P1 - 0.5 ( psia ) 17.6BHP X 10 a la menos 4 0.00649Carga real BHP 769

100 % carga% que representa 0.5 psig 2.8

==

=

==

==

PD * # de cilindros 79=Ev 0.84

0.5==

sobrecarga en psig

18.1

carga real es 769 BHP con 2.8 % de sobrecarga.

Capacidad real en PCD. siguiente

rmula con los BHP disponibles R = (BHP x 106) / (BHP/MMPCD) plicamos el programa y tenemos:

747

64.974720000011513097.1

Presin (curva de BHPs) 14.4Presin standardTemperatura de succin FTemperatura de succion (Rankine)Temperatura standard FTemperatura standard Rankine 520Capacidad real a condiciones Std 10662965=

=

=

==

===

=

Clculo de la capacidad real en CFD=

=

La capacidad real se encuentra aplicando la fQA

BHPs disponibles10 a la 6 1000000BHPs por MMPCD

=

BHPs disponibles x 10 a la 6Capacidad real Qr

14.79055060

El resultado es 10 662 965 CFD a 14.7 psig y 60 F.

DISEO Y CALCULO DE COMPRESORESCompresor.